聲波定向發(fā)射器的原理研究及實現

張培培

（西安交通工程學院，西安 710300）

1 超聲波定向發(fā)射原理

1.1 超聲信號發(fā)生器的選擇

由于聲音信號的頻率與在空氣中的衰減程度成正比，即當聲音信號的頻率越高時在空氣中的衰減也就越大，然而當聲音信號的頻率越高時定向性反而越好，因此綜合考量，本文選用超聲信號的頻率為21KHz，與此同時出于調試過程的需要，方便選擇最佳的超聲頻率，設計了頻率可調的信號產生器。

超聲波信號產生部分是常規(guī)電路，主控制電路完成對整個電路的控制及工作狀態(tài)的監(jiān)督；頻率及功能顯示部分顯示現工作頻段，出現故障顯示故障代碼。功率顯示采用十段發(fā)光發(fā)光二極管按比例顯示功放的輸出功率。功率調節(jié)調節(jié)輸出功率的大小并有記憶功能。間隔時間設定時設置功放的發(fā)射時間和間歇時間。頻率調節(jié)分兩個層次，一是四位撥位開關進行大的頻率設置20KHz～90KHz，二是用電位器調節(jié)段內頻，每步進為1KHz，超聲信號產生電路在主控和頻率調節(jié)的控制下產生出我們所需要的超聲波信號。超聲信號與功放接口部分包括IN-和IN+，分別是超聲波信號的反向信號和正向信號，其中正向信號經反饋控制端TMP 反饋回超聲信號產生電路，超聲信號產生器便停止工作。頻率顯示為“00”KHz，INP 為功率控制信號輸出，它是一個20kHz 的間歇信號，間歇時間Tj=10ms（100Hz），信號的持續(xù)時間決定輸出功率的大小。

1.2 調制方法的選擇

由于超聲信號在空氣中的自解調效應，為了得到指向性清晰的聲音信號，能夠將聲音信號調制到超聲波的頻率上的調制方式只有振幅調制，常規(guī)AM 調幅的效率最高只有50%，調制效率太低；單邊帶調制（SSB）雖然調制效率可以達到100%、節(jié)省了一半的頻帶、節(jié)約了發(fā)射功率，但其電路結構相對比較復雜；因此折中選用抑制載載波的雙邊帶調制（SC-DSB），該調制方式不僅電路結構簡單，實現起來比較容易，調制效率也高。

1.3 超聲功率放大電路的設計

我們設計輸出功率為3KW 的超聲波功率放大電路。超聲功率放大電路主要由功放驅動電路和功放末級放大電路組成。其中功放驅動電路如圖1所示，功放末級放大電路如圖2所示：

1.3.1 功放驅動電路

號產生器部分輸出的21KHz 超聲波信號由IN+輸入功率放大器的正向驅動端，經反向器反向后由IN_輸入到功率放大器的反向驅動端。T201和T202構成反向驅動端，T203和T204構成正向驅動端。信號的正半周期T203導通，T204截止，T201導通，T202截止，在變壓器Tr201初級形成電流信號如圖1（a）所示：信號的負半周期T203截止T204導通，T201截止T202導通，在變壓器Tr201初級形成電流信號如圖1（b）所示：可見在信號的正負半軸周期在Tr201初級形成相應的交變電流，且為功放末級提供了足夠推動功率。

圖1 功放驅動電路導通圖

1.3.2 功放末級工作原理

功放末級由u101和u104構成，其原理電路如圖2所示：

圖2 功放末級電路圖

Tr201次級有兩個繞組，功放u101接同名端，u104接另一組線圈異名端，輸出outA 和輸出outB 與輸出變壓器Trout 相接。信號的正半周期u101 導通，u104 截止，電流流向為V、u101、outA、Trout 初級、c106，如圖9 中黑線所示。信號的負半周期u101 截止u104 導通，電流流向為V、c107、outB、Trout 初級、u104。u101和u104都是大功率MOS 管，可以在Trout 的初級形成很大的激磁電流，該電流的變化與超聲信號變化相同，完成了對超聲信號的功率放大。u101和u104可采用多只功率管直接并用實現更大的功率放大。這也是這種功放電路設計的最大優(yōu)勢。

2 實驗結果

該定向傳輸系統由三部分組成分別是主機、輔機、換能器。超聲波定向發(fā)射器電路設計和實際調試完成后，其聲音定向發(fā)送的效果達到了較為滿意的效果。經反復調試后，對實驗電路進行了功能驗證性的實際測試。發(fā)射系統的正前方可以明顯感受到音頻信號的存在，而其他方向聲音信號的強度則減弱很多，僅能感受到十分輕微的聲音信號存在。

實際測試環(huán)境要求在在聲音的傳播方向上沒有明顯遮擋物，因此選在了室外空曠處。在室外空曠處發(fā)射定向聲波，以人的聽力為接收標準，由試驗者根據發(fā)射距離接收所發(fā)聲音，測試發(fā)散角度（兩試驗員與發(fā)射器之間的夾角）。最終通過測試聲波的發(fā)散角度的方法來判斷及確定聲音的定向效果。

實際測試結果：

（1）發(fā)射功率為100W 條件下，據發(fā)射距離10m遠處聲音的發(fā)散距離為5m，發(fā)散角度為30°，接收聲音清晰。

（2）在發(fā)射功率100W 條件下，據發(fā)射距離30m 遠處聲音的發(fā)散距離為6m，發(fā)散角度為16°，接收聲音基本可聽。

（3）在發(fā)射功率300W 條件下，據發(fā)射距離30m 遠處聲音的發(fā)散距離為6m，發(fā)散角度為15°，接收聲音基本可聽。

在聲波定向傳輸設備的有效傳輸范圍內，沿傳輸方向上聲音強度分布較為均勻，與兩束聲音信號在非線性空間傳輸時邊解調邊傳輸的原理相吻合。

測試結論：聲波定向傳輸系統具有明顯的定向傳輸特性。